中职学校3D打印课程创新教学技术手段的研究

梁嘉添

摘要：目前，3D打印的技术越来越广泛，是未来制造业的主要应用技术，在智能制造和工业设计产业都需要大量的人才。在中职院校3D打印成为新兴的主要课程。开设3D打印课程时，由于3D打印制造产品自由度较高，怎样激发学生学习兴趣，激发学生创造热情，让3D打印课堂的魅力充分展现，使用创新教学技术手段是重要因素。本文通多对3D打印人才需求进行分析，结合3D打印课程安排，针对课程核心内容，提出三种解决思路以及三种解决方法，并对这三种技术手段进行使用分析。

关键词：3D打印;虚拟现实VR技术;仿真;工业设计

1.3D打印应用状况及人才需求

1.13D打印应用状况

3D打印技术前身是快速成型技术，在上世纪八十年代已经出现，由于打印原材料的成熟、烧结技术及G代码的结合，在本世纪初3D打印概念提出，并在最近几年产业化、在机械制造业、汽车、航天航空、医疗、建筑、教育等地方得到了应用[1]。3D打印按技术类型分为FDM、3DP、SLM、SLA等技术，打印材料有ABS、尼龙、弹性材料、金属粉末、陶瓷、食品等，应用极其广泛。3D打印应用的主要技术难关在于打印时间的缩短，目前有国外高校研究团队研究出激光金属烧结成型技术，将烧结成型时间控制在飞秒内[2]。3D打印在智能制造产业中发挥着重要角色，减少了生产线以及生产成本，将原来的减才制造转变为增材制造，使得复杂情况的产品能够在很短的时间内制造出来，对于制造业是革命性的技术;现在众多企业已开始用3D打印取代传统制造方法。

1.23D打印人才需求

3D打印在众多行业应用，众多企业对该类型的人才需求较大，所需要的人才主要保括建模师、3D打印机维修师、切片工艺员等。那么面向这些岗位的人员所应该具有的技能有：计算机辅助设计CAD建模技能、电子电工技能、数控编程技能、机械装配调试技能、材料学知识、数字模型修复技能、切片知识等。对于企业而言比较重要的岗位是3D打印建模师，由于所建模型必须考虑到制作的材料、切片的方法、所用到的支撑多少，直接与生产的成本有关，所以建模、修模和切片的技能显得尤为重要。对于中等职业技术学校学生来讲，学习建模、修模及切片技术对以后的就业、应对各种设计任务是必要的。

2.中职3D打印课程分析

中等职业技术学校3D打印课程主要面向数控技术应用、机电一体化、建筑装饰、工业设计等专业。3D打印课程内容主要包括CAD建模、切片软件使用、修模软件使用、3D打印机操作使用、3D打印机的维护等。其中CAD建模与切片技术是课程的核心，也是企业对3D打印人才考察的重要一环。CAD建模包括了AutoCAD、Inventor、Solidworks、Rhino、3Dsmax等;切片所学到软件有cura、Hori、3DRepair等。在建模课程中，三维图形建模对学生要求较高，需要较强的空间想象能力以及空间抽象能力;切片软件的学习则需要学生理解材料的性质、温度对材料的影响、打印速度与打印温度的关系等一些列物理和化学变化的相应知识。因而，建模与切片两个环节的教学所占的时间比重最高。对于这两部分内容的学习，从学生角度来讲，计算机内建模软件的使用要求较高，困难也越大;而且不能够完全反应出个人所想，大脑中想象的作品不能完整完全地呈现在自己所建立的模型中，而且软件操作步骤繁琐，难度大，学习起来便单调乏味，传统的信息技术教学手段并不能提升他们的学习兴趣;对于切片软件，学生学习难度在于不能直观的理解参数对打印过程的影响，若要将不同参数修改进行对比，则需要将所打印的物体多次打印，所需时间较长，耗材成本巨大。针对这两个核心学习内容，怎样激发学生学习兴趣，减少学生掌握知识的时间以及成本，其中一个重要方面便是教学技术手段的使用，与教学方法、学习方法的创新有所不同的是，技术手段能够从视觉、操作感受上激发学生的学习动力。

3.3D打印课程创新教学技术手段使用思路

为了使得学生在学习3D打印技术时积极性得到提高，让课堂更加具有吸引力，使学生理解时间减少、让课程要求学生所具备的能力难度减少，针对3D打印课程核心内容建模与切片的教学重点和教学难点，从教学技术手段方面解决这些问题，提出以下几点思路：

（1）通过信息技术手段让抽象的知识和建模具象化、可接触化，让学生直观地学习到知识点。

（2）使用模拟仿真手段，让原本需要长时间的打印过程缩短到几分钟内，让学生可以迅速的对比每个切片参数对打印过程的影响。

（3）将建模与切片过程教学与工业产品设计流程相结合，让产品设计的理念以及创造性融入3D打印的学习，充分发挥学生的创造积极性

根据以上3点思路，结合教学实际状况，提出以下几种教学技术手段用于实际的3D打印教学：

（1）使用虚拟现实技术（VR）

（2）使用3D打印过程模拟仿真软件

（3）使用工业设计产品设计软件及设计理念

4.创新教学技术手段使用及效果分析

4.1虚拟现实技术（VR）使用及效果分析

虚拟现实技术（VR）主要针对3D打印中建模内容。其主要使用方法是，在教学当中使用VR技术，在虚拟现实世界中，使用三维建模应用，完成建模过程。使用的应用硬件为htcvive pro，应用平台为steamVR平台。教学时，学生带上虚拟现实头盔，双手拿着操作手柄，此时学生双眼智能看到应用的虚拟世界。学生眼睛看到画面同步到教学一体机显示器中，教师可以从教学一体机中学生看到的画面，进行引导式教学。虚拟现实技术中三维建模应用建模核心是基于传统AutoCAD建模内核开发，具有尺寸控制性的功能与相同的建模逻辑。与传统CAD建模不同的是，很多建模时用到的草图绘制、图形编辑、三维模型修改、布尔运算等按钮和只能通過鼠标和键盘启用的功能在虚拟现实（VR）建模中转变为手势的直观操作，也就是学生通过简单手部动作和2-3个按钮的操作就可完成原来在传统CAD软件中复杂的功能，例如：放大模型只需要用双手对着眼前的模型拉开即可;另外学生可以通过用“手”将自己脑中所想马上变成直观可视的模型，用“双手”画出自己的三维模型。浏览模型时，直接通过移动头部以及身体位置来观看模型，模型的全部位置可视并可以调节到学生自己认为的最佳位置，不需要鼠标键盘的组合键操作。这样建模过程变成一个全沉浸式的环境，建模难度降低，建模过程变得有趣而富有创造性，学生无须记住复杂的按钮，只需用“双手”纯粹地进行自由“塑造”，从而激发学生的学习热情。

虚拟现实技术（VR）建模

效果分析：本教学技术手段在所有具有3D打印课程的班级使用。使用虚拟现实技术教学前，学生建模主要是用传统CAD软件，学习动力不足，在平面图形学习时，大部分学生表现较好，但在三维模型建模学习时对坐標系以及各视图的切换存在极大的困难，在复杂的建模学习中，大部分学生比较吃力并表现出抗拒的情绪。使用虚拟现实技术教学时，由于其直观的操作性质，几乎全部学生表现出极其浓厚的学习欲望;在VR建模操作中大部分学生能够轻易地完成复杂模型的建立，而且所用时间相比传统CAD建模更加少;学生的创造性被激发，通过调查，90%学生表示能够通过该技术实现脑中所想模型。极少部分学生由于个体接受能力的差异而学习进度较慢，但仍表现出极强地学习及体验欲望。

4.23D打印过程模拟仿真软件使用及效果分析

3D打印过程模拟仿真软件主要用于模拟整个打印过程，功能体现在于能够直观看到每个时间点，作品打印的状态（包括支撑）。该软件的使用主要用于当打印参数改变（例如切片层厚、喷嘴温度、预热温度、外壳厚度、支撑形式、打印密度）时，能够快速地计算出打印的整个模拟流程，学生从而可以快速区分出不同参数的改变对整个打印过程的影响。

效果分析：使用仿真软件之前，学生对打印参数的理解只是停留在表面，甚至对最主要的参数设置表现出不感兴趣的情绪;使用仿真软件后，由于打印过程全程可视化，打印过程状态的改变清晰，对比明显。学生可以任意修改参数来观察打印过程以及最终状态的区别，能够直观深入地理解到每个参数对打印过程的影响，学习积极性得到明显地提高。

4.3使用工业设计产品设计软件及设计理念

工业设计软件区别于常规教学使用的AutoCAD软件，常见的有Rhino、Inventor、Solidworks等;这类软件建模功能强大且有针对性，比如针对曲面建模以及针对机械建模;在颜色选择方面，这类软件的辨析度更高。授课时让学生掌握这些软件的使用，不仅能够激发学习兴趣，而且能够让学生掌握多种软件操作，从而能够轻松应对未来的工作。工业产品的设计理念融合于课堂主要是能够让学生意识到设计产品或作品时，应遵循市场需求及规律，能够有目的性，有章法地去进行建模，调整审美标准，从而能够设计出实用、美观、有创意的作品。

效果分析：使用该手段前，学生对普通建模软件出现厌倦的情况，部分学生认为建模更改能不够强大而倦怠学士;使用该手段后，学生对产品设计表现出浓厚的兴趣，对美观及多样的产品表现出极强兴趣，并且希望能够打印出可以实际制造并销售的作品。

结论：本研究针对3D打印的建模与切片，采用了3种教学技术创新手段（分别是VR虚拟现实技术，3D打印过程模拟仿真软件、以及工业产品设计理念）。从学生学习情况及反馈情况来讲，这三种教学技术手段的使用受到老师和学生的欢迎，能够帮助学生迅速掌握知识点，激发浓烈的学习兴趣，积极参与教学互动，对于提升3D打印课堂魅力是有效的。

参考文献：

[1]3D打印企业实例.李艳.机械工业出版社2014年版.

[2]3D打印中的结构优化问题研究.徐文鹏.《中国科技大学》.2016.TP391.73